朱庭旺，任晓明

（上海电机学院电气学院，上海201306）

压电陶瓷具有较高的机械强度，振动时能量损耗小［1-2］，这使得压电陶瓷成为压电超声雾化片（以下简称雾化片）的主要材料。雾化片的出厂参数备受关注，其中，雾化片的谐振频率是其性能的重要参数。雾化片在最佳谐振频率工作时，雾化效果最好［3］。众多学者对雾化片的雾化性能进行了研究与分析。张建桃等［4］通过雾化片的结构尺寸进行优化设计，进一步提高其雾化量，并改善雾化颗粒粒径。黄晖等［5］研究了雾化溶液加入量、功率、载气流量等对雾化速率的影响。陈曦等［6］研究了雾化器换能部分的结构尺寸对雾化性能的影响。Ramisetty等［7］研究了雾化器频率和液体黏度对颗粒粒径的影响。雾化器的有限元仿真也是如今的研究热点，高建民等［8］通过有限元仿真分析确定了超声雾化器的主要结构尺寸。有学者建立有限元模型，对雾化喷头［9］、雾化片材料［10］进行了模态分析和谐响应分析，得到雾化片振动效果最好时对应的谐振频率。唐一璠等［11］利用有限元分析得到雾化片在不同条件下的弯曲振动。此外，对于雾化器长时间工作时谐振频率的特性也有相关研究。如研究压电超声换能器的工作性能，发现雾化片的谐振频率在100 h以下的持续运行中基本保持不变［12］。以上研究除了通过有限元仿真得到雾化片振动时对应的最佳谐振频率外，以雾化片本身最小阻抗测量得到最佳谐振频率的研究还很少。本文通过最小阻抗测量实验确定两种不同雾化片的最佳谐振频率，并确定两种雾化片等效模型的电路参数，该电路参数对于雾化片驱动电路的设计具有指导作用。运用等效电路模型参数设计的驱动电路对雾化片进行驱动，借助激光粒度仪和电子秤分别对雾化颗粒粒径和雾化速率进行检测，验证了最佳谐振频率的准确性。

1 雾化片等效电路模型

雾化片的工作原理是基于逆压电效应把电信号变为机械振动。雾化片等效电路模型如图1所示［13-14］。

图1 雾化片等效电路模型

图中，L1、C1、R1分别为雾化片的动态电感、动态电容、动态电阻；C2为雾化片的静态电容。

L1与C1的串联支路谐振频率为

雾化片的输出频率和串联支路谐振频率fs相同时，串联支路输出有功功率最大［12］。为了实现这一目标，需要使驱动电路的频率等于fs。雾化片等效电路模型各参数的确定需要通过雾化片的C2和阻抗的测量获得。

本文选择的两种不同类型雾化片实物如图2所示。两种雾化片的结构均由压电陶瓷片和带有微孔的金属片粘合而成。样片1一般用于医疗雾化器，样片2一般用于加湿器。比较两种雾化片，样片1上金属片的微孔孔径小于样片2的微孔孔径。

图2 两种不同类型雾化片实物

2 C2和阻抗的确定

2.1 不同频率下雾化片的C2

雾化片的C2可通过小信号阻抗测量法获得。小信号阻抗测量法用的测量仪器为HIOKI35320-50 LCR。将雾化片的两个电极接至LCR，LCR的测量模式选择Cp-D，输入的电压信号峰峰值设置成1V，频率从1 kHz增至125 kHz。1～100 kHz，每5 kHz测量一次Cp（Cp指C2），101～125 kHz，每1 kHz测量一次Cp。样片1和样片2在频率1～125 kHz范围内的静态电容值如图3所示。

图3 不同频率下的C2

由雾化片出厂参数可知，两种雾化片的谐振频率为（110±5）kHz。在谐振频率范围内，通过测量数据分析可得两种雾化片的C2在不同频率下的波动很小，样片1和样片2在谐振频率范围内的C2分别约为2.27 nF和2.30 nF。

2.2 不同频率下雾化片的阻抗值

雾化片的阻抗值可通过串联电阻，测量雾化片正极对地电压以及电阻对地电压获得。本文通过信号发生器、功率放大器、变压器、雾化片和电阻组成的测量电路实现雾化片在不同频率驱动下的阻抗测量，其测量原理如图4所示。变压器匝数比为50∶2 000，频率100 kHz。电阻R的阻值很小，为1.3Ω，旨在不影响雾化片的正常工作。信号发生器输出的电压峰峰值设置为1.1 V。功率放大器型号为RIGOL PA1011，最大输出功率10 W，全功率带宽高达1 MHz。

图4 阻抗测量原理

通过示波器可测得雾化片正极对地电压U1∠a和电阻对地电压U2∠b波形，如图5所示。a和b分别为雾化片正极对地电压和电阻对地电压的相位。选择U1∠a为基准波形，得

图5 雾化片正极对地电压和电阻对地电压波形

阻抗为

通过图5可知，雾化片U1∠a和U2∠b波形的周期T相等，两个波形相差时间t，其相位差为

将U1∠a基准波形的相位设为0°，式（5）可表示为

因此，可设置信号发生器的输出信号频率为105～115 kHz，频 率 每 增 加1 kHz，测 量 一 次U1∠a、U2∠b、t，便可以求得不同频率下雾化片的Z。雾化片各频率下Z幅值和相位如图6所示。

图6 不同频率下雾化片Z幅值和相位

通过两种雾化片在不同频率下Z幅值和相位分析可得，样片1和样片2分别在110 kHz和113 kHz时对应的Z最小，因此，可初步估计样片1和样片2发生谐振状态较好的频率点分别为110 kHz和113 kHz。

2.3 雾化片等效电路参数的确定

通过不同频率下的雾化片Z分析，可得出雾化片Z最小时的频率。雾化片参数R1、L1、C1组成的串联支路和C2并联构成雾化片等效电路。等效电路总阻抗和串联支路阻抗分别为

通过雾化片在不同频率下的Z与C2可求得Z1。两种雾化片的Z1对应的不同频率下的幅值和相位如图7所示。

图7 不同频率下雾化片Z1幅值和相位

通过雾化片等效电路参数R1、L1、C1构成的Z1可推算R1、L1、C1的值，选择谐振阻抗最小值对应的R1、L1和C1。通过计算，样片1的等效电路参数R1、L1、C1分别取21Ω、3 mH、0.72 nF。样片2的等效 电 路 参 数R1、L1、C1分 别 取13Ω、3.3 mH、0.62 nF。

通过搭建实验平台对两种雾化片在不同驱动频率下的Z进行分析可得，样片1和样片2分别在110 kHz和113 kHz作用时其阻抗最小，这两个频率分别为两种雾化片的最佳谐振频率。

3 两种雾化片工作时的雾化性能分析

微网雾化器的雾化性能主要包括雾化颗粒粒径、雾化速率。图8所示为自制的对雾化片进行驱动的雾化器电路板。通过Winner311XP激光粒度仪对颗粒粒径进行检测，雾化颗粒粒径测量装置如图9所示。雾化器雾化喷头的喷雾方向与激光发射的方向保持垂直，使激光能够完整通过雾化颗粒［15］。激光接收端采集到的颗粒数据通过数据软件分析得到。由于雾化片的谐振频率为（110±5）kHz，因此，雾化器电路板的驱动频率从105～115 kHz依次递增，每次递增1 kHz。每测量完一组数据，将雾化头里的溶液装满，进行下一组数据的测量。

图8 自制雾化器电路板

图9 雾化颗粒粒径测量装置

通过105～115 kHz驱动频率下的雾化颗粒粒径测量，得到11组雾化颗粒粒径累积分布图。颗粒粒径累积分布图呈现的是不同粒径时微粒累积所占的比例。粒径和累积百分比是粒径参数分析的重要数据。110 kHz驱动频率下样片1的雾化颗粒粒径累积分布如图10所示；113 kHz驱动频率下样片2的颗粒粒径累积分布如图11所示。通过图10和图11，可观察两种样片在驱动频率下不同大小粒径对应的累积量。

图10 110 k Hz驱动频率下样片1的雾化颗粒粒径累积分布

图11 113 kHz驱动频率下样片2的雾化颗粒粒径累积分布

在105～115 kHz的驱动频率作用下，两种样片的粒径参数如图12所示。X50代表累计分布为50%时的粒径大小。通过图12可得，驱动频率的大小对雾化颗粒粒径的影响较大。激光粒度仪数据分析系统里自定义项目有＜5μm的粒径占比和＜12μm的粒径占比等选项，样片2输出的雾化颗粒粒径＜5μm的粒径占比很小，选择＜12μm的粒径占比进行分析。样片1在驱动频率为110 kHz时的雾化颗粒粒径最优，＜5μm的粒径占比达到67.97%；样片2在驱动频率为113 kHz时的雾化颗粒粒径最优，＜12μm的粒径占比达到17.972%。样片1的颗粒粒径要小于样片2的颗粒粒径，这表明微孔孔径大的样片，其输出颗粒粒径也大，微孔孔径的大小对雾化颗粒粒径有较大影响。

图12 不同频率下两种样片的粒径参数

雾化速率通过单位时间的雾化量获得。通过秒表计时，设置雾化时间为3 min，通过电子秤对雾化前与3 min雾化后的雾化器进行称量，计算出雾化速率。雾化器电路板的驱动频率从105～115 kHz依次递增，每次递增1 kHz。测量完一组数据，将雾化头里的溶液装满，进行下一组数据的测量。

通过对两种样片在不同频率驱动下的雾化速率进行测量与计算，得到不同频率下两种样片雾化速率如图13所示。通过分析可得，驱动频率对样片的雾化速率影响并不明显，样片2的雾化速率明显高于样片1的雾化速率。主要原因是样片2的微孔孔径比样片1的微孔孔径大，单位时间内喷出的颗粒多。样片1在驱动频率为110 kHz的雾化速率较大，样片2在驱动频率为113 kHz时的雾化速率较大。由此可得，当雾化片处于较佳谐振频率时对应的雾化速率较优。因此，可以分别选择谐振频率110 kHz和113 kHz驱动样片1和样片2，使之有良好的雾化性能。

图13 不同频率下两种样片雾化速率

通过雾化片等效电路参数的确定，得到两种雾化片阻抗最小时对应的谐振频率。经过两种雾化片雾化性能分析，可以验证雾化片阻抗最小时对应的谐振频率能使雾化片的雾化性能更好。而雾化片工作需要由驱动电路提供频率信号，因此，雾化片等效电路确定的谐振频率有助于雾化片驱动电路的设计。

4 结 语

本文通过搭建最小阻抗测量实验，对医疗雾化器雾化片和加湿器雾化片的最佳谐振频率进行探究，两种雾化片最小阻抗时对应的谐振频率即为最佳谐振频率。通过对雾化片进行电路等效，可确定两种雾化片等效模型的电路参数，该电路参数对雾化片驱动电路的设计具有指导作用。通过自制驱动电路板对雾化片进行驱动，借助激光粒度仪和电子秤对雾化颗粒粒径和雾化速率分别进行检测，验证了最小阻抗测量实验确定的雾化片最佳谐振频率的准确性。用于医疗雾化器（样片1）最佳谐振频率为110 kHz，用于加湿器（样片2）最佳谐振频率为113 kHz。雾化片最佳谐振频率的确定有助于雾化器工作在最佳状态。